張艷榮,彭 杉,劉婷婷,樊紅秀,陳丙宇,馬寧鶴
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長春 130118)
馬鈴薯是我國一種主要的糧菜兼用農(nóng)作物[1],也是重要的飼料和工業(yè)原料,其種植面積及產(chǎn)量排名世界前列。馬鈴薯塊莖內(nèi)主要營養(yǎng)成分為水分和淀粉,其次含有少量蛋白質(zhì)、脂肪、維生素以及微量元素,其賴氨酸含量更是優(yōu)于大米、小麥[2]。馬鈴薯全粉是由鮮薯經(jīng)挑選、清洗、去皮、切片、護(hù)色、預(yù)煮、蒸煮、干燥、粉碎等一系列工序所制得的干品[3],其最大程度上保留了馬鈴薯的營養(yǎng)成分,復(fù)水后保留了熟制鮮薯的香氣和口感[4],且具有耐貯藏、易運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),更方便應(yīng)用于食品的加工中。自2015年農(nóng)業(yè)部提出馬鈴薯主食化方針政策后,馬鈴薯食品研發(fā)一時成為熱點(diǎn),孫平等[5]研制出馬鈴薯全粉添加量為30%的馬鈴薯全粉酥性餅干,游新勇等[6]研制出馬鈴薯全粉添加量為20%的馬鈴薯全粉面包,王春香[7]制作出馬鈴薯全粉添加量為20%的馬鈴薯面條。馬鈴薯全粉不含面筋蛋白,其面團(tuán)黏度高、缺乏彈性[8],導(dǎo)致馬鈴薯全粉不易被大量添加到主食產(chǎn)品中,因此,可采用擠壓技術(shù)對其進(jìn)行處理。擠壓技術(shù)是20世紀(jì)60年代后興起的一種新技術(shù),其工作原理是將置于擠壓機(jī)內(nèi)的物料在高溫高壓狀態(tài)下瞬間釋放至常溫常壓下,使物料的組織結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化[9-10]。玉米粉經(jīng)擠壓處理后其物性得到了改善,更適于面食品的加工[11]。
目前,相關(guān)研究側(cè)重馬鈴薯全粉食品的研發(fā)制作及基本理化性質(zhì)的研究,但擠壓處理對馬鈴薯全粉加工特性及表面微觀結(jié)構(gòu)影響的研究較少。因此,本研究采用擠壓處理技術(shù)對馬鈴薯全粉進(jìn)行處理,并對未擠壓處理馬鈴薯全粉(non-extruded potato flour,N-PF)和擠壓處理后馬鈴薯全粉(after extruded potato flour,A-PF)的持水性、持油性、溶解性、膨脹度、凍融穩(wěn)定性等加工性質(zhì)以及馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性進(jìn)行對比研究,利用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)、快速黏度測定儀測定其熱特性及糊化特性,通過X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)掃描測定其結(jié)構(gòu),為馬鈴薯全粉在食品加工業(yè)中的應(yīng)用提供理論和科學(xué)依據(jù)。
馬鈴薯全粉 萬盛食品化工原料;直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品 美國Sigma公司;碘(分析純)中國醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司;其他試劑(均為分析純) 北京化工廠。
JC-60型單螺桿擠壓機(jī) 長春盛達(dá)食品工業(yè)研究所;高速多功能粉碎機(jī) 上海冰都電器有限公司;頂開式冷凍箱 青島澳柯瑪電器公司制造;90-2恒溫磁力攪拌器 上海振榮科學(xué)儀器有限公司;EX-224電子天平(萬分之一) 奧豪斯儀器(上海)有限公司;TU-1901型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療器械有限公司;101A-2E電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;Q2000型DSC 美國TA儀器公司;PRESTIGE-21傅里葉變換紅外光譜儀 日本島津公司;D8-ADVANCE型廣角X射線衍射儀 德國Bruker公司;TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司;JSM-6701F型SEM 日本電子公司;GL16A臺式高速冷凍離心機(jī) 湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司。
1.3.1 擠壓處理馬鈴薯全粉工藝流程
1.3.2 擠壓處理工藝的單因素試驗(yàn)
通過前期的預(yù)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程中喂料速率固定為30 kg/h,選擇物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和擠壓溫度(機(jī)筒溫度)作為考察的兩個因素,擠壓溫度分別為130、140、150、160、170 ℃,物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、30%、35%、40%、45%。每個水平重復(fù)3 次,取平均值,測定馬鈴薯全粉的持水性、持油性、溶解度、膨脹度及凍融穩(wěn)定性等加工特性,以及馬鈴薯全粉面團(tuán)的物性,實(shí)驗(yàn)過程中不變水平為:物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%、擠壓溫度140 ℃。
1.3.3 馬鈴薯全粉基礎(chǔ)成分的測定
水分測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》直接干燥法;脂肪測定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》索氏提取法;灰分測定參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測定》灼燒稱量法;蛋白質(zhì)測定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》分光光度法;淀粉測定參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中淀粉的測定》酶水解法;直鏈淀粉含量測定參照高金波等[12]的方法。
1.3.4 馬鈴薯全粉加工特性的測定
1.3.4.1 持水性的測定
準(zhǔn)確稱取2.0 g樣品,加入離心管中。加入30 mL蒸餾水,在沸水浴中加熱10 min并不斷攪拌,冷卻至室溫后,3 000 r/min離心15 min。將離心管倒置在試管架上,靜置,直至無水分滴出后,精確稱量。持水性按公式(1)計算。
式中:m0表示樣品干質(zhì)量/g;m1表示離心管質(zhì)量/g;m2表示離心瀝水后樣品與離心管總質(zhì)量/g。
1.3.4.2 持油性的測定
準(zhǔn)確稱取5.0 g樣品,加入離心管中。加入30 mL食用油,在沸水浴中加熱15 min,冷卻至室溫后,3 000 r/min離心15 min。上層游離油傾出后,精確稱量。持油性按公式(2)計算。
式中:m0表示樣品干質(zhì)量/g;m1表示離心管質(zhì)量/g;m2表示離心瀝油后樣品與離心管總質(zhì)量/g。
1.3.4.3 凍融穩(wěn)定性的測定
1.3.4.4 溶解度、膨脹度的測定
參照劉駿[14]的方法,配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的樣品懸浮液,在90 ℃條件下使其糊化后倒入離心管中,3 000 r/ min離心20 min,分別收集上清液和下層沉淀,上清液置于105 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量,記錄其質(zhì)量。溶解度和膨脹度的計算公式如式(4)、(5)。
式中:m1表示上清液蒸干后的恒質(zhì)量/g;m2表示樣品總質(zhì)量/g;m0表示離心后得到的沉淀物質(zhì)量/g;S表示由式(4)計算得到的溶解度/%。
1.3.5 糊化度的測定
參考Birch等[15]的方法進(jìn)行測定。
1.3.6 馬鈴薯全粉面團(tuán)物性的測定
經(jīng)過前期預(yù)實(shí)驗(yàn),馬鈴薯全粉面團(tuán)的最適加水量為馬鈴薯全粉質(zhì)量的48%,將混合均勻的馬鈴薯全粉面團(tuán)置于溫度32~34 ℃、相對濕度75%~80%的醒發(fā)箱內(nèi)靜置10 min后進(jìn)行物性測定。將準(zhǔn)備好的馬鈴薯全粉面團(tuán)置于物性測試平臺,采用質(zhì)地剖面分析模式P50探頭,測前速率1 mm/s、測試速率2 mm/s、測后速率2 mm/s、返回距離10 mm[16],物性測試項(xiàng)目為:硬度、黏著性、彈性、內(nèi)聚性、膠黏性、咀嚼性、回復(fù)性[17]。
第二,要讓企業(yè)審計人員積極學(xué)習(xí)計算機(jī)方面的知識和操作技能,學(xué)會通過網(wǎng)絡(luò)途徑獲得更多的信息和數(shù)據(jù)分析辦法,從而提高自己的分析能力。
1.3.7 糊化特性的測定
采用快速黏度測定儀。準(zhǔn)確稱取3.0 g樣品,根據(jù)水分校正公式稱取一定量的去離子水并充分混合,升溫程序參考Leivas等[18]的方法,先在50 ℃下恒溫2 min,以6 ℃/min加熱到95 ℃,保溫6 min,再以6 ℃/min冷卻到50 ℃,最后再恒溫2 min,記錄樣品的黏度變化曲線。
1.3.8 熱特性分析
精確稱取一定量的樣品,放入DSC專用坩堝中,按照一定比例加入蒸餾水,密封置于4 ℃冰箱中平衡24 h,用空的坩堝做對照,通氮?dú)?,啟動儀器進(jìn)行測定。掃描溫度范圍為20~100 ℃,掃描速率10 ℃/min,氮?dú)馑俾?0 mL/min。
1.3.9 X射線衍射分析
將干燥樣品放入帶有凹槽的玻璃板上壓平,放入X射線衍射儀進(jìn)行測定,采用連續(xù)掃描法,廣角衍射,特征射線CuKα,掃描速率為2(°)/min,掃描區(qū)域?yàn)?°~45°,步長為0.1°,管壓為40 kV,管流為40 mA。
1.3.10 SEM觀察
取烘干后待測樣品于雙面膠上,放入鍍金器中噴涂鉑-鈀合金,再放入SEM下,拍攝樣品放大1 000倍后的微觀結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)測定3 次,結(jié)果以表示。利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析和方差分析,Origin 8.0軟件作圖,以P<0.05表示差異顯著。
表1 馬鈴薯全粉基本組成成分Table 1 Proximate chemical composition of potato flour
由表1可知,經(jīng)擠壓處理后,馬鈴薯全粉中淀粉含量由(76.25±2.23)g/100 g降低到(74.09±1.03)g/100 g,直鏈淀粉含量由(28.32±1.53)g/100 g增加到(30.11±0.90)g/100 g,粗脂肪含量由(0.94±0.03)g/100 g降低到(0.80±0.03)g/100 g,粗蛋白含量由(5.34±0.15)g/100 g降低到(4.89±0.06)g/100 g。擠壓處理前后淀粉、直鏈淀粉和粗蛋白含量差異顯著,粗脂肪含量、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及灰分含量差異不顯著。陳子意[19]研究發(fā)現(xiàn),檳榔芋全粉經(jīng)擠壓膨化處理后,由于受到高溫作用,淀粉和蛋白質(zhì)含量均有所降低,這與本研究結(jié)果一致。
由表2可知,馬鈴薯全粉持水性隨物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高逐漸增大,原因可能是物料吸水黏度增加,加大了與機(jī)腔內(nèi)壁的摩擦力[20],在機(jī)腔內(nèi)停留時間較長,使水分流失較多,導(dǎo)致持水性升高;相反,水分過量減少摩擦,停留時間短,持水性降低。隨擠壓溫度的升高,機(jī)腔內(nèi)物料水分大量汽化,增加了馬鈴薯全粉的持水性;溫度過高會加快淀粉熔融和糊精化,導(dǎo)致持水性降低[21]。持油性主要受蛋白質(zhì)來源、加工方式、顆粒粒徑大小等多方面因素的影響[22],隨擠壓溫度的升高,馬鈴薯全粉持油性逐漸降低,原因可能是高溫破壞了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu);隨物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,馬鈴薯全粉持油性逐漸升高,原因可能是高水分在機(jī)腔內(nèi)有潤滑作用,物料停留時間短,蛋白質(zhì)破壞程度低。析水率隨擠壓溫度的升高呈先降低后升高的趨勢,擠壓處理會造成淀粉分子的斷裂,過多的短鏈淀粉會影響淀粉鏈的排列順序,從而影響析水率[23]。
表2 擠壓條件對馬鈴薯全粉持水性、持油性及析水率的影響Table 2 Effects of different extrusion conditions on water-holding capacity, oil-holding capacity and syneresis rate of potato flour%
圖1 擠壓溫度(A)、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)對馬鈴薯全粉溶解度、膨脹度的影響Fig. 1 Effects of extrusion temperature (A) and water content (B) on solubility and swelling degree of potato flour
溶解度和膨脹度可以直觀地反映物料與水分之間的相互作用[24]。由圖1A中可以看出,擠壓溫度在130~160 ℃范圍內(nèi)對溶解度影響顯著(P<0.05)。隨著溫度的升高,馬鈴薯全粉的溶解度呈先上升后降低的趨勢,當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃時溶解度最高。隨著物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,其溶解度呈下降趨勢。溶解度決定加工性能,對產(chǎn)品的功能特性有影響[25],低溶解度往往不能滿足食品加工需求。擠壓溫度在140~170 ℃范圍內(nèi)對馬鈴薯全粉膨脹度影響不顯著(P>0.05),Kusumayanti等[26]研究發(fā)現(xiàn),膨脹度主要與支鏈淀粉含量有關(guān)[27]。從圖1A、B可以看出,當(dāng)擠壓溫度、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為140 ℃和40%時,馬鈴薯全粉的膨脹度最低,原因可能是在機(jī)械熱及高剪切力的作用下,長支鏈淀粉發(fā)生斷裂、降解現(xiàn)象[28]。
圖2 擠壓溫度(A)、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)對馬鈴薯全粉糊化度的影響Fig. 2 Effects of extrusion temperature (A) and water content (B) on gelatinization degree of potato flour
由圖2A可以看出,馬鈴薯全粉糊化度隨擠壓溫度升高呈先升高后降低趨勢,當(dāng)擠壓溫度為140 ℃時,糊化度最高,為85.51%;擠壓溫度過低時,淀粉吸收熱量較少,不足以發(fā)生糊化反應(yīng),糊化度較低;逐漸升溫會加快水分子進(jìn)入淀粉內(nèi)部的速度,提高淀粉糊化度;擠壓溫度過高時,高溫會使機(jī)腔內(nèi)物料發(fā)生焦化現(xiàn)象,堵塞擠壓腔[19],導(dǎo)致糊化度降低。在圖2B中,糊化度隨物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而升高,當(dāng)物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時,糊化度最高,為88.40%,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加反而降低糊化度。水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使物料黏度增大,延長物料在機(jī)腔內(nèi)的擠壓時間,加熱時間的延長使糊化度升高;水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高使物料在機(jī)腔內(nèi)停留時間縮短,導(dǎo)致糊化度降低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到未經(jīng)擠壓處理馬鈴薯全粉的糊化度為66.36%(未顯示在圖中)。
由圖3A可知,當(dāng)擠壓溫度在130~150 ℃范圍內(nèi),隨著擠壓溫度升高,馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性逐漸升高,擠壓溫度對馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性影響顯著(P<0.05)。未擠壓處理的馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性為0.764(未顯示在圖中)。當(dāng)擠壓溫度為150 ℃時,馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性達(dá)到最高,為0.882;當(dāng)溫度繼續(xù)升高時,馬鈴薯全粉面團(tuán)物性遭到破壞,彈性值不斷下降,并且溫度過高容易使物料內(nèi)水分快速蒸發(fā),不利于物料輸送,甚至使其在機(jī)腔內(nèi)發(fā)生焦糊現(xiàn)象[29]。由圖3B可以看出:在其他條件不變的情況下,物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%~35%范圍內(nèi)對馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性值影響顯著(P<0.05);當(dāng)物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時,馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性值最低;物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時,彈性值最高,為0.873;水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)加大時,馬鈴薯全粉面團(tuán)的彈性變差。
通過單因素試驗(yàn)獲得較為科學(xué)客觀的經(jīng)擠壓處理后馬鈴薯全粉特性的評價結(jié)果,為進(jìn)一步的工藝研究提供理論依據(jù),同時為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,最佳擠壓處理?xiàng)l件為:擠壓溫度150 ℃、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%,在此條件下對馬鈴薯全粉進(jìn)行擠壓處理,對N-PF與A-PF作進(jìn)一步的比較分析。
圖3 擠壓溫度(A)、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)對馬鈴薯全粉面團(tuán)彈性的影響Fig. 3 Effects of extrusion temperature (A) and water content (B) on elasticity of potato dough
表3 馬鈴薯全粉糊化特性Table 3 Paste properties of potato flour
糊化特性是淀粉在食品應(yīng)用中的重要衡量指標(biāo)[30]?;厣当硎咀罱K黏度與谷值黏度的差值,在冷卻過程中直鏈淀粉分子之間的締合導(dǎo)致回生現(xiàn)象的發(fā)生[31],最終黏度取決于淀粉冷卻后的回生能力。由表3可以看出,經(jīng)過擠壓處理的馬鈴薯全粉峰值黏度、谷值黏度、回生值及最終黏度有一定程度降低,說明A-PF在冷卻過程中不易變硬、老化。周星杰等[32]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)擠壓處理后苦蕎粉的谷值黏度、最終黏度及回生值有所下降,與本研究結(jié)果一致。N-PF的衰減值低于A-PF,說明N-PF黏度熱穩(wěn)定性較好。另外,A-PF的峰值時間較短,糊化溫度升高。
表4 馬鈴薯全粉熱特性參數(shù)Table 4 Thermal parameters of potato flour
表4中的起始溫度和結(jié)束溫度代表馬鈴薯全粉糊化的起始溫度和結(jié)束溫度。由表4可以看出,A-PF糊化時的起始溫度、結(jié)束溫度和峰值溫度均高于N-PF,說明經(jīng)擠壓處理A-PF大部分淀粉已經(jīng)糊化,未糊化的淀粉較少,這與黃浩庭[33]的研究結(jié)果一致。A-PF的熱焓值降低,這可能是因?yàn)榻?jīng)擠壓處理后淀粉顆粒發(fā)生了變性,淀粉分子從有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài),能量也隨之變化[34]。
圖4 馬鈴薯全粉的X射線衍射圖Fig. 4 X-ray diffraction pattern of of potato flour
根據(jù)圖4可知,N-PF在2θ角在9.7°、13.1°、20.0°附近均出現(xiàn)明顯的衍射峰,經(jīng)擠壓處理后,結(jié)晶度大幅下降,峰強(qiáng)度下降;原因是在高溫、高壓及高剪切力的作用下,長支鏈淀粉結(jié)構(gòu)遭到破壞[35],淀粉內(nèi)部分子鏈發(fā)生斷裂、降解現(xiàn)象[36],從而導(dǎo)致淀粉的結(jié)晶度下降。A-PF在2θ角為13.1°處的衍射峰已經(jīng)消失,在9.7°、20.0°處的衍射峰強(qiáng)度很弱,并在4.1°附近出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰,未消失的峰變得彌散,呈現(xiàn)典型的非晶體衍射特征[37];說明擠壓處理導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞,結(jié)晶度降低,峰強(qiáng)度下降。采用MDI Jade5.0軟件對X射線衍射圖譜進(jìn)行分析,得到N-PF的結(jié)晶度為40.39%,經(jīng)擠壓處理后,馬鈴薯全粉結(jié)晶度降低至13.97%。此外,結(jié)晶區(qū)比例降低表明淀粉在糊化過程中所吸收熱量減少,即熱焓值降低,與表4測定結(jié)果一致。
圖5 馬鈴薯全粉SEM圖片(1 000×)Fig. 5 SEM pictures of native and extruded potato flour (1 000 ×)
由圖5可知,N-PF的表面相對較為平整光滑,紋路清晰,有少許光滑顆粒,略有褶皺;A-PF的表面較為粗糙,有不規(guī)則的顆粒物質(zhì)存在,并有不同層次的褶皺和裂痕。這可能是因?yàn)閿D壓處理使淀粉由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)后形成的不固定形態(tài)[38],該結(jié)構(gòu)使得A-PF較N-PF的比表面積增加,有利于水分子進(jìn)入,使馬鈴薯全粉持水能力提高。
單因素試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)擠壓溫度150 ℃、物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%時,馬鈴薯全粉的加工特性綜合比較最優(yōu),溶解度較高,為35.05%,凍融穩(wěn)定性較好。A-PF的持水性(7.723 1%)較N-PF(7.424 2%)提高了4.03%,面團(tuán)彈性得到改善;并且經(jīng)擠壓處理后,馬鈴薯全粉凝膠能力減弱,不易于老化。微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果表明A-PF顆粒表面較為粗糙,出現(xiàn)波紋型褶皺;經(jīng)擠壓處理后,馬鈴薯全粉結(jié)晶度下降。擠壓處理降低了馬鈴薯全粉面團(tuán)原本的高黏度,使其具有了適當(dāng)?shù)酿椥裕梢愿玫貞?yīng)用到面制品當(dāng)中;并且擠壓處理有效地改善了其加工性能,有利于其在相應(yīng)食品加工中的應(yīng)用。
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